智能電力調(diào)整器的設計與實現(xiàn)

宋冬冬，馬玉泉，林紅舉

(河北科技師范學院，河北秦皇島，066000)

電力調(diào)整器作為電源功率控制設備，主要用于工業(yè)電加熱控制，包括集單相調(diào)壓/調(diào)功于一體的調(diào)整器、采用數(shù)字化中央處理器和鎖相環(huán)同步電路，斷電緩關斷，周波控制或PWM調(diào)功方式的調(diào)整器和過流報警、散熱器超熱報警等保護功能的調(diào)整器，運用模糊PID控制技術實現(xiàn)了電阻性負載及電機、變壓器等電感性負載的平穩(wěn)軟啟動以及調(diào)功調(diào)壓。目前國內(nèi)外大多數(shù)電力調(diào)整器無法適應大規(guī)模生產(chǎn)的集群控制要求，不能對全局溫度進行最優(yōu)控制，其控制參數(shù)、工藝參數(shù)均無法集中設置和管理，控制精度以及電能損耗也不能滿足要求。另外，功率因數(shù)偏低、出現(xiàn)高次諧波，并且對于溫度以及功率的控制上還不太穩(wěn)定［1］等原因也日益影響了現(xiàn)代生產(chǎn)。需要設計一款高效、智能的電力調(diào)整器，能夠最大限度地滿足快速發(fā)展的現(xiàn)代生產(chǎn)需要。

1 電力調(diào)整器的工作原理

1．1 可控硅調(diào)整器的工作原理

可控硅調(diào)整器的基本原理是通過控制信號輸入，去控制串在主回路中的可控硅模塊，改變主回路中電壓的導通與關斷，精確控制電壓、電流和功率，由此達到調(diào)節(jié)電壓或功率的目的，從而實現(xiàn)精密控溫，并且憑借其先進的數(shù)字控制算法，優(yōu)化了電能使用效率，對節(jié)約電能起了重要作用。

1．2 智能電力調(diào)整器工作原理

智能電力調(diào)整器系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通訊群控、過載和短路保護、功率輸出均勻分配以及設備的軟啟動和軟關斷功能［2］。

整個系統(tǒng)包括微處理器及與其相連的通訊接口、輸入、輸出設備。通訊接口包括串行通訊接口;輸入設備包括輸入端口上連接的用于與智能儀表連接的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于接收包括負載電流過載或短路等狀況信號處理電路、用于檢測負載電流信號過零點的相位同步電路以及工作模式選擇開關及其電路;輸出設備包括通過光電隔離的晶閘管功率驅(qū)動電路;功率分配算法包括功率均勻分配算法以及設備啟動和停止時軟啟動與軟關斷算法［3］。

1．2．1 聯(lián)網(wǎng)通訊群控功能 設備使用可控硅作為電力控制元件，除接收4～20 mA普通儀表所需的電流信號外，還可以接收來自工控機的控制信號，通過各個設備不同的地址，使工控機識別不同的電力調(diào)整器，以實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)條件下的群控功能［4，5］。聯(lián)網(wǎng)通訊群控系統(tǒng)的每個終端設備有相應的地址模塊，通過地址模塊可以設置及獲取終端地址，在系統(tǒng)啟動時將終端地址讀入微處理器內(nèi)存的某個單元以備將來使用。地址長度為8位，理論上可達到群控256臺終端的能力。

圖1 智能電力調(diào)整器系統(tǒng)工作原理

1．2．2 過載和短路保護功能 設備的檢測與控制單元包含:(1)微電子電流檢測和保護裝置;(2)基于單片機的主控制與通訊模板。通過微電子電流檢測和保護裝置實時檢測加熱設備的電流信號，當發(fā)生過載或短路時，該裝置在工頻信號的一個波頭內(nèi)(10 ms)封鎖可控硅的控制信號，關斷可控硅，以免可控硅過熱損壞;同時，通過通訊接口向工控機發(fā)送報警信號。待設備短路故障排除后，通過控制單元的復位鍵，恢復控制功能。過載和短路保護原理如圖2所示，電流檢測輸出信號經(jīng)過濾波放大電路將信號放大，然后輸入比較器與給定值進行比較后輸出DLBH(電流保護)信號至控制板DLBH接線端［6］。

圖2 過載和短路保護原理

1．2．3 功率輸出均勻分配功能 使用了功率輸出均勻分配的功能，從而避免了加熱設備的突然啟動和關斷對電網(wǎng)的干擾，延長了加熱元件的使用壽命，也可以提高控制精度。其常用的做法是將某一功率輸出百分比(比如15%)的有功輸出寫入表格，待進行控制使用時只需查表即可［7］。該設計中的智能電力調(diào)整器的功率輸出均勻分配算法集中體現(xiàn)了一個控制周期內(nèi)的所有周波數(shù)(Nm)、要輸出的周波數(shù)(有功輸出)(A)、已經(jīng)輸出的周波數(shù)(包括有功輸出和無功輸出的總和)(counter)以及已經(jīng)輸出的有功整波數(shù)(i)之間的依存關系。該依存關系可用函數(shù)f(Nm，A，counter，i)來表示［8］。函數(shù)滿足關系 f(Nm，A，counter，i)時觸發(fā)晶閘管;函數(shù)滿足關系 f(Nm，A，counter，i)時關斷晶閘管。整個算法的程序流程如圖3所示。

1．2．4 設備的軟啟動和軟關斷功能 為解決電力加熱設備啟動和關斷時表面負荷大，容易損壞加熱元件的問題，智能電力調(diào)整器在設備啟動和停止時，設計了軟啟動/軟關斷功能，通過在啟動時緩慢增加電流和停止時緩慢減少電流，減輕加熱元件的表面負荷，延長加熱元件的使用壽命［9］。

2 智能電力調(diào)整器的硬件設計

控制系統(tǒng)硬件電路由終端地址電路、過零檢測、智能儀表溫度信號檢測、上位機溫度采樣、可控硅觸發(fā)電路、串行通訊電路及過載保護電路等組成，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖如圖4所示。以89C4051單片機為核心，在單片機上電后將終端地址讀至內(nèi)存單元;數(shù)據(jù)采集由智能儀表4～20 mA電流信號經(jīng)補償放大后送至A/D轉(zhuǎn)換模塊;調(diào)功部分由光控可控硅、驅(qū)動可控硅及雙向交流可控硅控制電阻爐加熱。

圖3 功率輸出均勻分配算法流程

圖4 智能電力調(diào)整器系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖

2．1 溫度采樣電路

2．1．1 下位機采樣 測溫儀表輸出信號通常為4～20 mA電流，該電流信號經(jīng)運放電路放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再送入單片機，單片機將依據(jù)此數(shù)字量判斷溫度所處的區(qū)間而后采取相應的措施。此處模數(shù)轉(zhuǎn)換選擇8位精度的轉(zhuǎn)換芯片，如圖5所示。

圖5 溫度信號檢測電路原理

2．1．2 上位機采樣 采用鎳鉻-鎳硅熱電偶溫度傳感器，其測量溫度范圍適中，線性度好，價格適宜，具有很強的抗腐蝕性和抗氧化性，熱電勢輸出較大，方便測量用的放大器的選配。

2．2 終端地址電路

采用8位表示一個終端地址，理論上可表示256臺終端。硬件采用8位的撥碼開關表示地址，用74LS244數(shù)據(jù)輸入緩沖器讀入撥碼開關的值，即終端地址。74LS244有2組4位的數(shù)據(jù)通道，分別用1G，2G來選通，均為低電平信號。

2．3 過零檢測電路

過零檢測電路的目的是捕獲三相交流電的某一相通過零點的時刻，通過執(zhí)行功率輸出均勻分配算法以便決定本周波是有功輸出還是無功輸出。電源經(jīng)47 kΩ電阻衰減后，作為雙向光耦的輸入，雙向光耦的輸出經(jīng)反向器翻轉(zhuǎn)后在交流電的過零點輸出窄脈沖信號，輸入到單片機的INT0管腳，作為控制輸出的同步信號。每當三相中有一個過零點，將會觸發(fā)單片機的INT0中斷，從而調(diào)用功率輸出均勻分配算法以便決定本周波是有功輸出還是無功輸出。

2．4 過載和過流保護

電流檢測輸出信號經(jīng)過濾波放大電路將信號放大，然后輸入比較器與給定值進行比較后輸出DLBH(電流保護)信號至控制板DLBH接線端。設備工作正常時，DLBH信號輸出為0 V，當檢測到電流過大或短路時，DLBH信號輸出為12 V。

2．5 可控硅觸發(fā)電路

可控硅觸發(fā)電路如圖6所示。當VCCB信號為+5 V，A-CRTL輸出有功控制信號(即有功輸出，ACTRL此時為0 V)時，光電雙向可控硅導通，為可控硅TR1提供觸發(fā)信號。此處TR1為初級可控硅，用來控制控制板外部的大功率可控硅工作，從而實現(xiàn)對大功率電器調(diào)功的目的。

3 智能電力調(diào)整器系統(tǒng)軟件設計

3．1 單片機軟件設計

下位機中單片機的主要功能是開關量輸入輸出和485通訊，它的具體任務包括485通訊、開關量輸入輸出、功率輸出均勻分配以及設備的軟啟動和軟關斷。主程序如圖7所示。

圖6 可控硅觸發(fā)電路

圖7 單片機主程序流程

3．2 下位機通訊軟件設計

通訊內(nèi)容可以是命令或是控制數(shù)字量。數(shù)字量一般緊跟在命令之后，通常是命令執(zhí)行時需要的操作數(shù)。命令分為兩大類:一類是開關機等命令;一類是依據(jù)工控機溫度采樣后根據(jù)PID控制算法計算出的實際的有功功率與輸入功率的百分比，也即控制電阻爐加熱的程度，范圍從0% ～100%［10，11］。

3．3 功率輸出均勻分配軟件設計

采用有功功率輸出與輸入功率百分比為15%，控制周期內(nèi)波形數(shù)為100個，則將15個待輸出的周波均勻地填入表格，輸出信號以“0”和“1”標記。該算法的執(zhí)行流程如下:

(1)根據(jù)控制精度要求，設定控制周期［12］;

(2)接受上位機或智能儀表的調(diào)功功率要求，設定每個控制周期內(nèi)的供電整波個數(shù)A;

(3)從每個控制周期的起始周波起算，依次計算每個周波的依賴函數(shù)f(Nm，A，counter，i)的值，若該值大于0，則在下一個周波觸發(fā)晶閘管，給負載供電，i值加1，若該值等于或小于0，則關斷晶閘管。Nm減1，counter加1，如此循環(huán)重復直至該控制周期結(jié)束(Nm等于0);

(4)根據(jù)同步脈沖，監(jiān)測該控制周期是否結(jié)束，若結(jié)束，則轉(zhuǎn)到步驟(2)執(zhí)行，開始新的一個調(diào)功控制周期。

3．4 軟啟動軟關斷軟件設計

智能電力調(diào)功器在設備啟動和停止時，設計了軟啟動/軟關斷功能，解決了電力加熱設備啟動和關斷時表面負荷大，容易損壞加熱元件的問題，通過在啟動時緩慢增加電流和停止時緩慢減少電流，減輕加熱元件的表面負荷，延長加熱元件的使用壽命［13］。

4 實驗分析

通過實驗可以驗證設計的可行性。下面僅以過零檢測以及可控硅開關功能為例，給出了實驗結(jié)論及分析。

4．1 觸發(fā)電路實驗結(jié)果

使用示波器(雙蹤)測試可控硅的波形，用其中一個探頭測量電壓，另一個測量電流波形，就可以觀察到可控硅是否在過零點時刻導通，也會觀察到導通時刻的電流沖擊。因為三相電路是用2個開關控制，用示波器(雙蹤)的一個探頭測量電壓，另一個測量電流，所以可以看到可控硅運行的完整效果(圖8)。

4．2 過零檢測電路實驗結(jié)果

過零檢測輸出波形與輸入波形如圖9所示，其中脈沖波形為過零檢測輸出波形。從圖中可以看出，在輸入信號在過零點的時候，都會有一個下降的脈沖，這樣就能保證單片機捕獲到輸入信號的每個過零點。

圖8 晶閘管A相電壓、C相電流圖

圖9 過零檢測電路輸入與輸出波形圖

5 結(jié) 論

根據(jù)實驗室條件下對保護測試的結(jié)果，分析了誤差來源并制定了相應的處理措施，試驗結(jié)果表明樣機滿足了當初設計的要求。

［1］張銘鈞．智能控制技術［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2010．

［2］陳頎，張云生，張鐘錄，等．煙葉復烤機智能控制系統(tǒng)［J］．昆明理工大學學報:自然科學版，2001，26(3):106-109．

［3］趙高峰．一種新型PID決策模糊控制器的設計與實現(xiàn)［J］．計算機工程，2004，30(12):158-161．

［4］孫奉昌，樂愷，姜澤毅，等．智能控制算法對加熱爐溫度控制研究［J］．熱能動力工程，2009(3):337-341．

［5］張化光．智能控制基礎理論及應用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2005．

［6］黃文安．以太網(wǎng)實現(xiàn)錫槽調(diào)功器遠程控制［J］．玻璃，2009(7):17-18．

［7］王幸之．AT89系列單片機原理與接口技術［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2004．

［8］王福瑞．單片微機測控系統(tǒng)設計大全［M］．北京:北京航空航天大學出版社，1999．

［9］王兆安．電力電子技術［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

［10］徐大誠．微型計算機控制技術及應用［M］．北京:高等教育出版社，2003．

［11］張志良．單片機原理與控制技術［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2005．

［12］姜兵．基于單片機的周期波控制器研究［J］．機電信息，2010(18):208-209．

［13］彭秋紅，沈占彬．基于單片機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計［J］．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(5):131-148．